CN110202242A - 一种在低温环境下的钢结构焊接过程中的应力温度场计算方法 - Google Patents

一种在低温环境下的钢结构焊接过程中的应力温度场计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，属于钢结构加工技术领域。该焊接方法包括以下步骤：首先，选取低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条进行烘干，烘干后，再将低氢型焊条进行保温，备用；接着，对母材进行预热处理；然后，采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接；再接着，对焊接好的母材进行热处理后，再在焊缝区外部盖上一层保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温。本发明通过选用屈服强度较低、冲击韧性较好的低氢型焊条作为焊接材料，可以防止在低温环境下进行焊接出现冷脆现象。另外，本发明通过上述焊接步骤可以大大提高钢结构在低温环境下的焊接质量。

Description

一种在低温环境下的钢结构焊接过程中的应力温度场计算 方法
技术领域
本发明涉及钢结构加工技术领域，具体是一种在低温环境下的钢结构焊接方法。
背景技术
钢结构工程，是一种以钢材为主要材料的结构，其是现代主要的建筑结构类型之一。其中，钢结构在进行加工制造时，往往需要将不同规格的钢材进行焊接组装，从而形成完整的钢结构。
然而，在气温低于零度的冬季，使用传统的焊接工艺对钢结构进行焊接时，由于焊条的屈服强度较大，故焊缝区容易出现冷脆的现象；另外，由于焊接环境的温度较低，如果将焊接好的母材直接进行降温，容易导致焊缝区出现开裂的现象，从而无法保证母材的焊缝质量。因此，目前急需一种可以在低温环境下进行的焊接方法。在现有技术中例如专利文献：CN106238858A,均是采用对焊料进行除湿、保温预热、焊区进行坡口设计，然后对钢板进行预热、焊接后的热处理的施工工艺，但是在焊接过程中产生残余应力及变形的原因以及影响因素研究很少，因此通过焊接温度场对于焊接应力场的影响计算，对于掌握焊接参与应力的分布规律显得尤其重要，现有的应力场计算方法需要时间太长，效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在低温环境下的钢结构焊接方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种在低温环境下的钢结构焊接方法，包括以下步骤：
(1)选取低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条进行烘干，烘干后，再将低氢型焊条置于不低于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对母材进行预热处理，使焊缝区两侧的母材温度达到30-50℃；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在100-150℃；
(4)对焊接好的母材进行热处理，使焊缝区的温度控制在220-280℃，并持续1.5-2.5h后，再在焊缝区外部盖上一层保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温。
本发明实施例采用的一种优选方案，所述的步骤(1)中，低氢型焊条的烘干温度为300-400℃。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述的步骤(1)中，低氢型焊条的烘干时间为1-2h。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述的步骤(2)中，对母材进行预热处理，使焊缝区两侧75-120mm范围内的母材温度达到30-50℃。
本发明实施例采用的另一种优选方案，CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为40-55L/min。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的焊接速度为5-7mm/s。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述的步骤(3)中，填充层焊接为多层多道焊接。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述的步骤(4)中，保温材料为玻璃棉。
本发明实施例采用的另一种优选方案，所述保温材料的厚度为4-8cm。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
(1)本发明实施例通过选用屈服强度较低、冲击韧性较好的低氢型焊条作为焊接材料，可以防止在低温环境下进行焊接出现冷脆现象。
(2)本发明实施例在焊接前，通过先对低氢型焊条进行高温烘干，然后再将烘干后的低氢型焊条进行保温处理，从而可以保证低氢型焊条在使用前不会受潮。
(3)本发明实施例通过在焊接前，先对母材进行预热处理，使焊缝区两侧的母材温度达到30-50℃，便可消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差，从而可以最大限度地减缓母材在板厚方向的压应力变化程度，以提高在低温时的母材焊接质量。
(4)本发明实施例还通过对焊接好的母材立即进行热处理，使焊缝区的温度持续处于高温的状态后，再在焊缝区外部盖上一层玻璃棉等保温材料，便可使焊缝区进行缓慢的冷却，从而可以避免焊接好焊缝区出现开裂等问题，以进一步提高在低温时的母材焊接质量。
(5)本发明采用有限元ANSYSTEM对焊接温度场和残余应力进行了模拟分析，只需要分析温度场后再分析应力应变，如果应力应变结果不理想，不必在进行温度场分析，而只需要修改力学性能参数和优化载荷步长，然后再进行应力应变计算，这样可以节省大量的时间。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中进行低温焊接的工序的实施例包括1-5，实施例1-5的施工方法均可以采用实施例6中的温度场应力计算方法，
该实施例提供了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，其包括以下步骤：
(1)在-2℃的焊接环境下，选取市售的J506型的低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条置于300℃的烤箱中进行烘干，烘干1.5h后，再将低氢型焊条置于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对Q345B材质的母材进行预热处理，使焊缝区两侧75mm范围内的母材温度达到30℃，以消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在100℃；其中，填充层焊接采用的是现有技术中的多层多道焊接方式，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为40L/min，焊接速度为5mm/s；
(4)对焊接好的母材立即进行热处理，具体可采用两把烤枪对焊接好的焊缝区进行烘烤，使焊缝区的温度控制在220℃，并持续1.5h后，再在焊缝区外部盖上一层4cm厚的玻璃棉等保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温，便可完成钢结构的焊接工作。
需要说明的是，除了上述步骤限定的工艺外，其余焊接工艺均可参照《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)标准中规定的焊接工艺，不再赘述。
实施例2
该实施例提供了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，其包括以下步骤：
(1)在-10℃的焊接环境下，选取市售的J506型的低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条置于400℃的烤箱中进行烘干，烘干2.5h后，再将低氢型焊条置于130℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对Q345B材质的母材进行预热处理，使焊缝区两侧120mm范围内的母材温度达到50℃，以消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在150℃；其中，填充层焊接采用的是现有技术中的多层多道焊接方式，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为55L/min，焊接速度为7mm/s；
(4)对焊接好的母材立即进行热处理，具体可采用两把烤枪对焊接好的焊缝区进行烘烤，使焊缝区的温度控制在280℃，并持续2.5h后，再在焊缝区外部盖上一层8cm厚的玻璃棉等保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温，便可完成钢结构的焊接工作。
需要说明的是，除了上述步骤限定的工艺外，其余焊接工艺均可参照《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)标准中规定的焊接工艺，在这边就不进行赘述了。
实施例3
该实施例提供了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，其包括以下步骤：
(1)在-8℃的焊接环境下，选取市售的J506型的低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条置于350℃的烤箱中进行烘干，烘干2h后，再将低氢型焊条置于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对Q345B材质的母材进行预热处理，使焊缝区两侧80mm范围内的母材温度达到40℃，以消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在120℃；其中，填充层焊接采用的是现有技术中的多层多道焊接方式，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为45L/min，焊接速度为6mm/s；
(4)对焊接好的母材立即进行热处理，具体可采用两把烤枪对焊接好的焊缝区进行烘烤，使焊缝区的温度控制在250℃，并持续2h后，再在焊缝区外部盖上一层6cm厚的玻璃棉等保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温，便可完成钢结构的焊接工作。
需要说明的是，除了上述步骤限定的工艺外，其余焊接工艺均可参照《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)标准中规定的焊接工艺，在这边就不进行赘述了。
实施例4
该实施例提供了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，其包括以下步骤：
(1)在-7℃的焊接环境下，选取市售的J506型的低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条置于380℃的烤箱中进行烘干，烘干1.5h后，再将低氢型焊条置于150℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对Q345B材质的母材进行预热处理，使焊缝区两侧90mm范围内的母材温度达到42℃，以消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在120℃；其中，填充层焊接采用的是现有技术中的多层多道焊接方式，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为50L/min，焊接速度为5mm/s；
(4)对焊接好的母材立即进行热处理，具体可采用两把烤枪对焊接好的焊缝区进行烘烤，使焊缝区的温度控制在260℃，并持续2h后，再在焊缝区外部盖上一层7cm厚的玻璃棉等保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温，便可完成钢结构的焊接工作。
需要说明的是，除了上述步骤限定的工艺外，其余焊接工艺均可参照《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)标准中规定的焊接工艺，在这边就不进行赘述了。
实施例5
该实施例提供了一种在低温环境下的钢结构焊接方法，其包括以下步骤：
(1)在-5℃的焊接环境下，选取市售的J506型的低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条置于380℃的烤箱中进行烘干，烘干2h后，再将低氢型焊条置于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对Q345B材质的母材进行预热处理，使焊缝区两侧100mm范围内的母材温度达到38℃，以消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在110℃；其中，填充层焊接采用的是现有技术中的多层多道焊接方式，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为48L/min，焊接速度为6mm/s；
(4)对焊接好的母材立即进行热处理，具体可采用两把烤枪对焊接好的焊缝区进行烘烤，使焊缝区的温度控制在250℃，并持续2h后，再在焊缝区外部盖上一层7cm厚的玻璃棉等保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温，便可完成钢结构的焊接工作。
需要说明的是，除了上述步骤限定的工艺外，其余焊接工艺均可参照《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)标准中规定的焊接工艺，在这边就不进行赘述了。
上述实施例1-5焊接好的Q345B材质母材，其焊缝区均达到了《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2017)标准规定的二级焊缝质量。
综上所述，本发明实施例通过选用屈服强度较低、冲击韧性较好的低氢型焊条作为焊接材料，可以防止在低温环境下进行焊接出现冷脆现象。本发明实施例在焊接前，通过先对低氢型焊条进行高温烘干，然后再将烘干后的低氢型焊条进行保温处理，从而可以保证低氢型焊条在使用前不会受潮。
另外，本发明实施例通过在焊接前，先对母材进行预热处理，使焊缝区两侧的母材温度达到30-50℃，便可消除焊缝区两侧母材与焊缝区的强烈温差，从而可以最大限度地减缓母材在板厚方向的压应力变化程度，以提高在低温时的母材焊接质量。本发明实施例还通过对焊接好的母材立即进行热处理，使焊缝区的温度持续处于高温的状态后，再在焊缝区外部盖上一层玻璃棉等保温材料，便可使焊缝区进行缓慢的冷却，从而可以避免焊接好焊缝区出现开裂等问题，以进一步提高在低温时的母材焊接质量。
实施例6：一种在低温环境下的钢结构焊接过程中的应力温度场计算方法，包括以下步骤：(1)选取低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条进行烘干，烘干后，再将低氢型焊条置于不低于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对母材进行预热处理，使焊缝区两侧局部范围内的母材温度达到30-50℃；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在100-150℃；
(4)对焊接好的母材进行热处理，使焊缝区的温度控制在220-280℃，并持续1.5-2.5h后，再在焊缝区外部盖上一层保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温；
在上述焊接过程中，焊接温度场及应力应变分析包括如下具体步骤：
6、首先建立几何尺寸模型，定义单元类型、材料属性并划分网格、施加边界条件、确定载荷步，其中首先确定自由度是否相容，根据自由度的不同可选择单元有线、三维实体的单元种类，其次是决定采用线形或P单元，匝外给你个划分时采用ANSYSTEM有限元网格数值模拟分析；
7、然后进行焊接温度场计算，在温度场计算数值准确时执行下一步，否则执行修改载荷步、细化网格操作；
8、转换热单元为结构单元；
9、给定参考温度及施加约束条件，读入温度场计算结果；
10、读入温度场计算结果后，判断焊接应力应变结果是否正确，如果准确则输出应力应变结果，否则返回执行步骤4；
上述热分析过程中，选用热单元A,采用自由网格划分建立比较规则的网格，在焊缝处进行网格加密以热流率的形施加载荷，考虑了焊件与环境的对流，整个加热和冷却阶段的时间一共是40min，每条焊缝根据焊接层数的不同加热时间也不一样，根据温度变化的快慢分别设置时间步长，焊接残余应力应变场模拟时，采用温度场计算时建立的网格模型，将热单元转化为相应的结构单元A，定义随温度变化的材料力学属性，为模拟梁焊接在板平行焊缝两侧施加刚性约束，加载时直接读入温度场的计算结果，时间步长的设置与温度场计算时一样。
该实施例中采用有限元ANSYSTEM对焊接温度场和残余应力进行了模拟分析，只需要分析温度场后再分析应力应变，如果应力应变结果不理想，不必在进行温度场分析，而只需要修改力学性能参数和优化载荷步长，然后再进行应力应变计算，这样可以节省大量的时间。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种在低温环境下的钢结构焊接过程中的应力温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取低氢型焊条作为焊接材料，并将低氢型焊条进行烘干，烘干后，再将低氢型焊条置于不低于120℃的保温箱中进行保温，备用；
(2)对母材进行预热处理，使焊缝区两侧局部范围内的母材温度达到30-50℃；
(3)采用CO2气体保护焊焊接工艺对预热处理后的母材依次进行打底层焊接、填充层焊接和面层焊接，并将焊缝层间温度控制在100-150℃；
(4)对焊接好的母材进行热处理，使焊缝区的温度控制在220-280℃，并持续1.5-2.5h后，再在焊缝区外部盖上一层保温材料，使焊缝区缓慢冷却至常温；
在上述焊接过程中，焊接温度场及应力应变分析包括如下具体步骤：
1、首先建立几何尺寸模型，定义单元类型、材料属性并划分网格、施加边界条件、确定载荷步，其中首先确定自由度是否相容，根据自由度的不同可选择单元有线、三维实体的单元种类，其次是决定采用线形或P单元，匝外给你个划分时采用ANSYSTEM有限元网格数值模拟分析；
2、然后进行焊接温度场计算，在温度场计算数值准确时执行下一步，否则执行修改载荷步、细化网格操作；
3、转换热单元为结构单元；
4、给定参考温度及施加约束条件，读入温度场计算结果；
5、读入温度场计算结果后，判断焊接应力应变结果是否正确，如果准确则输出应力应变结果，否则返回执行步骤4；
上述热分析过程中，选用热单元A,采用自由网格划分建立比较规则的网格，在焊缝处进行网格加密以热流率的形施加载荷，考虑了焊件与环境的对流，整个加热和冷却阶段的时间一共是40min，每条焊缝根据焊接层数的不同加热时间也不一样，根据温度变化的快慢分别设置时间步长，焊接残余应力应变场模拟时，采用温度场计算时建立的网格模型，将热单元转化为相应的结构单元A，定义随温度变化的材料力学属性，为模拟梁焊接在板平行焊缝两侧施加刚性约束，加载时直接读入温度场的计算结果，时间步长的设置与温度场计算时一样。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，低氢型焊条的烘干温度为300-400℃。
3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，低氢型焊条的烘干时间为1-2h。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，对母材进行预热处理，使焊缝区两侧75-120mm范围内的母材温度达到30-50℃。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，CO2气体保护焊焊接工艺的CO2气体流量为40-55L/min。
6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述的CO2气体保护焊焊接工艺的焊接速度为5-7mm/s。
7.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，填充层焊接为多层多道焊接。
8.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，保温材料为玻璃棉。
9.根据权利要求1或8所述的计算方法，其特征在于，所述保温材料的厚度为4-8cm。
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